DE976993C - Schaltungsanordnung fuer eine Einrichtung zur UEbertragung elektrischer Wellen mittels Pulscodemodulation - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBENAM 29. OKTOBER 1964

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Bei der Umsetzung amplitudenmodulierter Signale in Codeimpulse bei einer bekannten Einrichtung müssen die Originalamplituden einem Quantelungsprozeß unterworfen werden,, d. h., an Stelle der wirklichen Signalamplitudenhöhe tritt eine ihr naheliegende gemäß einem Stufenschema. Eine derartige Maßnahme bringt natürlich Verzerrungen mit sich, die durch das Verhältnis zwischen der jeweils gewählten Stufenhöhe und der wahren Amplitude ausgedrückt werden können. Man kann zeigen, daß eine optimale Verteilung der Amplitudenstufen existiert, bei der die durch die Einstufung hervorgerufene Verzerrung am geringsten ist. Um über den großen Dynamikumfang gesprochener Nachrichten brauchbare Ergebnisse zu erhalten, benutzt man gewöhnlich einen ungleichmäßigen Stufenabstand. Dies läßt aber, wie man zeigen kann, den geringsten Verzerrungswert anwachsen, der für eine gegebene Anzahl von Stufen theoretisch erzielbar ist.

Eine Verminderung dieser durch die Codierung bedingten Verzerrungen wird gemäß der Erfindung durch eine Schaltungsanordnung erreicht, bei der sendeseitig für die Einstufung des zu übertragenden Signals ein Teilbereich der gestuften Amplitudenskala gewählt wird, bei dem minimale Verzerrung auftritt, daß für jeden Quantelungsschritt die Wahrscheinlichkeit ermittelt wird, mit der

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nachfolgende Amplitudenwerte in diesen Teilbereich fallen, daß die Amplitude des zu quantisierenden Signals in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit, ob dieser Teilbereich überschritten 5 oder nicht erreicht wird, vermindert bzw. erhöht wird und daß empfangsseitig diese Dynamikpressung durch entsprechende ' Dynamikdehnung zur Wiederherstellung der ursprünglichen Dynamik kompensiert wird.

ίο In der Praxis wird für jeden Abtastwert eines amplitudenmodulierten Signals eine Impulsgruppe übertragen. Dem Charakter dieser Impulsgruppe kann entnommen werden, ob das Eingangssignal, das in diese Impulse verwandelt ist, innerhalb eines bestimmten Amplitudenbereiches lag oder nicht. Die zwei ersten Glieder einer Impulsgruppe sind von gleicher Natur, d. h., sie sind entweder vorhanden oder sie fehlen, je nachdem, ob der absolute Wert des Eingangssignals eine gegebene mittlere Stufe überschreitet bzw. sie nicht erreicht. Entsprechend ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die

a) prüft, ob im Abtastzeitpunkt eine gegebene Spannungsstufe überschritten war oder nicht, b) die Verstärkung um einen positiven Betrag ändert, wenn die Stufe nicht überschritten war, und um einen negativen Betrag, wenn sie überschritten war.

Da dieselbe Impulsgruppe auch im Empfänger auftritt, so kann dort eine gleiche Schaltungsanordnung für die Änderung der Verstärkung im entgegengesetzten Sinne zur- Wiederherstellung des ursprünglichen Signals gebraucht werden. Praktisch ist damit ein sogenannter Signalkompressor geschaffen, der die ersten beiden Impulse oder Impulsglieder, die für jeden Tastwert entstehen, isoliert und zur Steuerung eines Kippkreises benutzt, der je nach seiner Lage eine negative oder positive Ausgangsspannung liefert. Diese Ausgangsspannung wird nach Integration zur Steuerung des Verstärkungsgrades eines Verstärkers benutzt, der die umzusetzenden amplitudenmodulierten Signale verstärkt. Die Wirkungsweise des Kompressors beruht auf der Annahme, daß die sich ergebende Stufenverteilung wahrscheinlich über einen großen Teil der Zeit innerhalb eines gewünschten Bereiches von der angelegten Steuerspannung bestimmt ist. Zugleich ist eine wichtige Voraussetzung der Verstärkungsregelung, daß sich weder die positiven noch die negativen prozentualen Änderungen von einem Abtastzeitpunkt zum anderen ändern.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen, die beispielsweise schematisch zwei Ausführungsformen der Erfindung darstellen, näher erläutert werden.

Fig. ι zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Sender-Schaltungsanordnung bei Verwendung eines binären Codes;

Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Sender-Schaltungsanordnung bei Verwendung eines cyclischen Permutationscodes;

Fig. 3 stellt ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung der Fig. 1 dar; Fig. 4 stellt ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung der Fig. 2 dar, und

Fig. 5 zeigt schematisch eine Schaltung für eine Empfangsanordnung.

In Fig. ι ist bei 1 eine Quelle amplitudenmodulierter Impulse dargestellt, wie sie aus einem amplitudenmodulierten Signal gewonnen werden. 2 ist ein Verstärker, der die Signale an eine Codiervorrichtung 3 weitergibt, wo sie in einen binären Code verwandelt werden. Hier werden die amplitudenmodulierten Impulse in ihnen entsprechende Gruppen von Impulsen verwandelt, von denen jede die bestimmte Amplitudenstufe darstellt, der die entsprechende Originalsignalamplitude zugeordnet ist. Die Ausgangsspannung der Codiervorrichtung 3 wird einmal einem nicht gezeigten Sender zugeführt, zum anderen dem Torkreis 4, der außerdem Verteilerimpulse von einem Impulsgenerator 5 erhält. Der Torkreis 4 erzeugt aus einem Impuls des Generators 5 einen rechteckigen Torimpuls nach Fig. 3 b. Diese Torimpulse treten mit dem Beginn jeder Codegruppe auf und dauern an, bis die beiden ersten Codeglieder der Gruppe vorüber sind.

Der Impulsgenerator 5 kann ein Sinuswellenerzeuger sein, dem schmale Impulse geeigneter Folgefrequenz entnommen werden. Diese Impulsfolge wird durch Frequenzteilungs- oder Verzögerungsglieder, die dem Generator zugeordnet sind, in Impulsfolgen verschiedener Frequenzen umgewandelt und dienen der Steuerung der verschiedenen Kreise der Schaltungsanordnung. Die Codiervorrichtung 3 wird mit Impulsen versorgt, die es ihr ermöglichen, maximal fünf aufeinanderfolgende Impulse für jeden ihr aufgegebenen Signalimpuls abzugeben. Diese einzelnen Impulse werden einem Kippkreis 6 aufgegeben, dessen Ausgangsspannung in bestimmten Zeitabschnitten, je nach Art der aufgegebenen Impulse, positiv oder negativ ist. Zwischen dem Generator 5 und dem Kippkreis 6 besteht eine weitere Verbindung zwecks Kippsteuerung. Die Ausgangsspannung des Kippkreises 6 wird nach zeitlicher Steuerung durch einen zweiten Torkreis 8 dem Integrator 7 zugeführt. Der Torkreis 8 wird gleichfalls vom Impulsgenerator 5 aus gesteuert. Die Torimpulse des Kreises 8 treten nach dem Ende der erstgenannten Torimpulse auf und haben eine etwas kürzere Dauer als diese. Nach Integration der positiven und negativen Impulse, die den Torkreis 8 verlassen haben, tritt im Ausgang des Kreises 7 eine veränderliche Spannung auf, die zur Steuerung der Verstärkung des Verstärkers 2 benutzt wird.

Dieser Gedanke ist auch auf Systeme anwendbar, die den sogenannten cyclischen Permutationscode (CP) an Stelle der binären Codierung verwenden. Dies ist in der in Fig. 2 schematisch dargestellten Anordnung gezeigt. Die einzelnen Schaltungsglieder sind dort ebenso bezeichnet wie in Fig. 1, die binäre Codierungsvorrichtung ist durch eine Codierungsvorrichtung für CP-Code 9 ersetzt. Da jede der Stufen einer CP-Codierung durch eine gliedweise Codierung gegeben ist, bei der neben-

einanderliegende Stufen des Codes sich durch die Merkmale eines Elementes unterscheiden, kann der relative Ort der entsprechenden Stufen aus dem zweiten Glied erkannt werden, das isoliert und unmittelbar dem Integrationskreis 7 zugeführt wird, ohne daß ein Kippkreis 6 (wie bei der Fig. 1) benötigt wird.

Die in Fig. 3 und 4 aufgezeichneten Impulserscheinungen geben ein klares Bild der beiden in Fig. ι und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen. Die in Fig. 3 a dargestellten Impulsgruppen vertreten die entsprechenden binären Ausgangsspannungen der verwendeten Schaltungsanordnung, ζ. B. zweiunddreißig unterschiedliche Stufen, wobei jede Stufe durch fünf Codeelemente bezeichnet wird, denen jedem die Hälfte des Wertes des vorhergehenden zugeordnet ist. Die Werte der Impulsgruppen, die in Fig. 3 a gezeigt sind, sind 21, 26, 7 und 15. In Fig. 3b sind die im Torkreis 4 erzeugten

ao Torimpulse dargestellt, die dann auftreten, wenn dem Kreis 4 synchronisierte Steuerimpulse von dem Impulsgenerator 5 zugeführt werden. Diese Torimpulse dienen zur Abtrennung der ersten beiden Elemente jeder der Impulsgruppen nach

^a5 Fig· 3 a-. Die abgetrennten Impulse sind in Fig. 3 c dargestellt. Sie werden zur Steuerung der Ausgangsspannung des Kippkreises 6 benutzt. Wenn einer der beiden Impulse auftritt, so wird der vorher am Ausgang des Kreises 6 vorhandene Zustand in den anderen der beiden allein möglichen Zustände verwandelt. Die Wirkung ist in Fig. 3 d dargestellt; aus ihr ist ersichtlich, daß der »An«- oder »Aus«-Zustand in der Ausgangsspannung von dem Vorhandensein oder der Abwesenheit der aus der Codegruppe abgetrennten Impulse gemäß Fig. 3 c abhängig ist. In Fig. 3 e sind die aus dem Kreis 8 erhaltenen Torimpulse ersichtlich, die dort durch die Zuführung entsprechender Steuerungsimpulse aus dem Impulsgenerator 5 erzeugt werden und periodisch unmittelbar nach Beendigung der Torimpulse von Fig. 3 b auftreten. Sie dienen zur Entnahme von Teilen der Ausgangsspannung des Kippkreises 6, die dem Integrationskreis 7 zugeleitet werden. Diese sind entweder negativ oder positiv, je nachdem, ob im Ausgang des Kreises 6 die »An«- oder »Aus«-Bedingung im Hinblick auf eine Bezugsgerade erfüllt war, die in Fig. 3d bei 10 nach aufwärts verschoben dargestellt ist. Die dem Integrationskreis zugeführten Impulse sind in Fig. 3 f gezeigt. Die sich ergebende, in der Amplitude veränderliche Spannung des Integrationskreises 7 wird dem Verstärker 2 aufgegeben und dient dazu, den Verstärkungsgrad dieses Verstärkers so zu beeinflussen, daß die Signalamplituden vermindert werden, welche in einen Bereich fallen würden, der oberhalb des Bereiches liegt, bei der ein Minimum der Verzerrung bei der Einstufung auftritt. In gleicher Weise besorgt diese Spannung ein Anwachsen der Verstärkung, wenn die Signalamplitude unterhalb des genannten Optimums der Amplitudenstufeneinteilung liegt.

Genauso wird nun die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung der Fig. 2 durch die Betrachtung der Fig. 4 erklärt. Die Impulsgruppe wird hier in Fig. 4a dargestellt. Sie tritt am Ausgang der Codiervorrichtung 9 auf, welche dieselbe Rolle spielt wie die mit ihr vergleichbare binäre Codierungseinrichtung 3 nach Fig. 1. Die Fig. 4b zeigt wieder die Torimpulse, die in dem Torkreis 4 als Folge der ihm durch den Impulsgenerators zügeführten Steuerimpulse auftreten. Sie dienen zur Abtrennung der zweiten Elemente der Impulsgruppen nach Fig. 4 a, die in Fig. 4 c dargestellt sind. Hier ist für die gewählte Stufe das zweite Element völlig kennzeichnend. Die aus der Impulsgruppe nach Durchlaufen des Torkreises 4 erhaltenen Impulse zeigt Fig. 4 d, nachdem sie in eine rechteckige Form gebracht worden sind. Sie beeinflussen den Integratorkreis 7, wie in Fig. 4e gezeigt, in Form von positiven und negativen Spannungsstößen, je nachdem, ob an den abgetrennten Plätzen der Impulsgruppen Impulse vorhanden sind oder nicht. Hieraus wird schließlich eine entsprechend amplitudenmodulierte Spannungswelle zur Steuerung der Verstärkung des Verstärkers 2, wie oben beschrieben, erhalten.

Die Schaltungsanordnung des Empfängers in Fig. 5 hat Funktionen in einem zu der des Senders nach Fig. 1 entgegengesetzten Sinne. Die Schaltungsanordnung umfaßt einen Empfängerkreis 11, der die empfangenen Impulsgruppen dem Decodierungskreis 12 zuführt. Die hier entstandene amplitudenmodulierte Welle wird einem Verstärker 13 aufgegeben. Von hier gelangt die Welle zu einer Wiedergabeeinrichtung, die nicht gezeigt ist. Um die gewünschte Dynamikdehnung zu erreichen, werden die empfangenen Impulsgruppen der Wirkung eines Torkreises 14 unterworfen, der dazu dient, den ersten oder die zwei ersten Impulse jeder empfangenen Impulsgruppe abzusondern. Sie dienen zur Steuerung eines Kippkreises 15, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 näher beschrieben wurde. Die sich ergebenden positiven und negativen Impulse des Kreises 15 werden dem Torkreis 16 aufgegeben und schließlich in einem Integrator 17 integriert. Dieser dient dazu, eine in der Amplitude veränderliche Spannung zur Steuerung der Verstärkung des Verstärkers 13 zu erhalten, um das Originalsignal, wie es dem Sender aufgegeben wurde, wiederherzustellen.

Im Empfänger wird auch durch irgendeines der zahlreichen bekannten Mittel der Impulsgenerator 18 mit den übermittelten Signalen synchronisiert, damit die Sperr- und Steuerimpulse, die an die Kreise 14, 15 und 16 geliefert werden, stets die richtige Frequenz und Wiederkehr haben.

Hieraus ist ersichtlich, daß eine Verstärkungsregelung im wesentlichen aus einem in seiner Verstärkung veränderlichen Verstärker besteht, der durch eine Vorrichtung gesteuert wird, die entweder auf den Eingangsspannungspegel des Verstärkers oder auf seinen Ausgangspegel anspricht. Wenn die Vorrichtung bei einer Nachrichtenverbindung gebraucht wird, so müssen Mittel vorgesehen sein, um dem Empfänger die Ausführungen der entgegengesetzten Maßnahmen zu ermöglichen,

wie sie der Sender ausführt,- d. h., er muß als Amplitudenausdehner arbeiten können. Dies kann auf drei Wegen erreicht werden:

1. Die Angabe des Eingangspegels kann gesondert auf den Empfänger übermittelt werden. Dies hat den Nachteil, daß ein besonderer Übermittlungskanal notwendig wird.

2. Die Dynamikkompression kann unvollendet sein, so daß das übermittelte Signal in der gleichen

ίο Richtung, jedoch in kleinerer Größe als die Eingangsspannung sich ändert. Der Empfänger kann dann dazu eingerichtet werden, diese Pegeländerungen aufzudecken und zu betonen. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, daß eine vollständige Kompression unmöglich ist. Sie wird aber im sogenannten »Kompandor« praktisch angewendet.

3. Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird für jede Tastperiode eine Gruppe von Impulsen gemäß der bereits vorgeschlagenen Einrichtung der Impulscodemodulation übertragen. In Abhängigkeit von der Art dieser Impulse ist es möglich, zu erkennen, ob das Eingangssignal eine bestimmte Amplitudenstufe überschritten hat oder nicht. Hierbei führt die Schaltungsanordnung folgende Arbeitsgänge aus:

a) Erkennung, ob in der betreffenden Tastperiode eine gegebene Amplitudenstufe überschritten wird oder nicht.

b) Änderung der Verstärkung um einen geringen positiven Prozentsatz, wenn der Wert nicht überschritten worden ist, und um einen negativen Prozentsatz, wenn er überschritten worden ist. Wenn eine gewisse Wahrscheinlichkeit besteht, daß dieser Wert von einem vollkommen komprimierten Signal überschritten wird, so müssen die positiven und die negativen Verstärkungsänderungen eine bestimmte Beziehung zum Grad dieser Wahrscheinlichkeit besitzen. Die gleiche Vorrichtung kann auch zur Steuerung der Verstärkung in entgegengesetzten Richtungen dienen; und so das Originalsignal im Empfänger wiederherstellen. Es seien noch einige Angaben für eine derartige Verstärkungsregelung gemacht:

Die Tastfrequenz möge 8000 sein, und die Wahrscheinlichkeit, daß das komprimierte Signal innerhalb eines gegebenen Bruchteils des Maximalpegels liege, möge 60 "Vo betragen. Eines der Erfordernisse der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist, daß die positive und negative prozentuale Verstärkungsänderung so klein ist, daß die Verstärkung von Tastperiode zu Tastperiode nicht viel variiert. Die zwei prozentualen Verstärkungsabweichungen, die positive und die negative, werden dann so ausgeglichen, daß die Summe ihrer Werte multipliziert mit dem entsprechenden Wahrscheinlichkeitsprozentsatz, der mit ihnen verbunden ist, Null wird, und es wird angenommen,, daß ein entsprechender, sich etwa ergebender positiver oder negativer Wert ausgeglichen wird durch angenommene Wahrscheinlichkeitswerte, die kleinere oder größere Werte als normal 60% haben. Die Schaltungsanordnung arbeitet schneller beim Anwachsenlassen der Verstärkung als beim Absenken.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Schaltungsanordnung für eine Einrichtung zur Übertragung elektrischer Wellen mittels Pulscodemodulation zur Verminderung der durch die Codierung bedingten Verzerrungen, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig für die Einstufung des zu übertragenden Signals ein Teilbereich der gestuften Amplitudenskala gewählt wird, bei dem minimale Verzerrung auftritt, daß für jeden Quantelungsschritt die Wahrscheinlichkeit ermittelt wird, ob nachfolgende Amplitudenwerte in diesen Teilbereich fallen, daß die Amplitude des zu quantisierenden Signals in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit, ob dieser Teilbereich überschritten oder nicht erreicht wird, gesenkt bzw. erhöht wird und daß empfangsseitig diese Dynamikpressung durch entsprechende Dynamikdehnung zur Wiederherstellung der ursprünglichen Dynamik kompensiert wird.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der einem Amplitudenwert zugehörigen Codegruppe Impulse abgetrennt werden, die erkennen lassen, in welchen Amplitudenteilbereich der betreffende Wert fällt, und daß aus diesen abgetrennten Impulsen eine Steuerspannung zur Regelung des Verstärkungsgrades eines vor dem Codierer (3 bzw. 9) hinter dem Decodierer (12) angeordneten Verstärkers (2 bzw. 13) abgeleitet wird.
3. 3. Sender-Schaltungsanordnung nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer (3) einen Binärcode liefert, daß ein Impulsgenerator (5) vorgesehen ist, der den Codierer (3), einen ersten Torkreis (4), eine Kippschaltung (6) und einen zweiten Torkreis

   (8) derart steuert, daß der erste Torkreis die beiden ersten Impulsplätze jeder Codegruppe ausblendet, und daß vermittels der Kippschaltung, des zweiten Torkreises und eines Integrators (7) aus dem Auftreten oder Nichtauftreten von entsprechenden Impulsen die Regelspannung für den Verstärker (2) gewonnen wird.
4. 4. Sender-Schaltungsanordnung nach An-Spruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer (9) einen zyklischen Permutationscode liefert, daß ein Impulsgenerator (5) vorgesehen' ist, der den Codierer und einen Torkreis (4) derart steuert, daß der Torkreis den zweiten Impulsplatz jeder Codegruppe ausblendet und daß aus dem Auftreten oder Nichtauftreten eines entsprechenden Impulses vermittels des Integrators (7) die Regelspannung für den Verstärker (2) gewonnen wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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